Tổng hợp và nghiên cứu tính chất của phân bón URE nhả chậm

Trường ĐHSP Hà Nội 2 Khóa luận tốt nghiệp bón vẫn sẽ là khu vực Đông Á, Bắc Mỹ và châu Phi, trong đó châu Phi và Bắc Mỹ là hai khu vực xuất khẩu lớn nhất. Đối với phân kali thì sự gia tăng sản lƣợng vào khoảng 2,4% mỗi năm. Khu vực sản xuất chính là Bắc Mỹ, Đông Âu, Trung Á (EECA) và Tây Âu, trong đó khu vực EECA, Bắc Mỹ, Tây Á và Tây Âu là những khu vực xuất khẩu chủ yếu. Ƣớc tính cho tới năm 2020 thì nhu cầu phân bón của thế giới sẽ vào khoảng 208 triệu tấn, trong đó nhu cầu sử dụng phân bón của các nƣớc phát triển là khoảng 86 triệu tấn, trong khi ở các nƣớc đang phát triển là khoảng 122 triệu tấn [4]. 1.1.3. Thực trạng về việc sử dụng phân bón ở nước ta Tính từ năm 1985 tới nay, diện tích gieo trồng ở nƣớc ta chỉ tăng 57,7%, nhƣng lƣợng phân bón sử dụng tăng tới 517%. Theo tính toán, lƣợng phân vô cơ sử dụng tăng mạnh trong vòng 20 năm qua, tổng các yếu tố dinh dƣỡng đa lƣợng N + P2O5 + K2O năm 2007 đạt trên 2,4 triệu tấn, tăng gấp hơn 5 lần so với lƣợng sử dụng của năm 1985. Ngoài phân bón vô cơ, hàng năm, nƣớc ta còn sử dụng khoảng 1 triệu tấn phân hữu cơ, hữu cơ sinh học, hữu cơ vi sinh các loại. Cho đến năm 2010, tổng diện tích gieo trồng ở nƣớc ta vào khoảng 12.285.500 ha, trong đó, cây có thời gian sinh trƣởng hàng năm là 9.855.500 ha và cây lâu năm khoảng 2.431.000 ha. Để thoả mãn nhu cầu phân bón cho các loại cây trồng trên các diện tích này, đến hết năm 2010, ta có 2.100.000 tấn phân ure, 300.000 tấn phân DAP, 3.000.000 tấn phân NPK các loại, 1.400.000 tấn phân lân dạng supe nung chảy và 400.000 tấn phân kali. Ở nƣớc ta, nguồn phân đạm hiện nay do hai nhà máy Đạm Hà Bắc có công suất 180.000 tấn ure/năm và nhà máy Đạm Phú Mỹ có công suất 740.000 tấn ure/năm cung cấp. Hiện cả hai nhà máy này có khả năng đáp ứng đƣợc một nửa nhu cầu đạm trong nƣớc. Theo số liệu tính toán của các chuyên gia trong lĩnh vực nông hoá học ở Việt Nam, hiện nay, hiệu suất sử dụng phân đạm mới chỉ đạt từ 30-45%, lân Mai Thị Loan 11 K34B – SP Hóa Trường ĐHSP Hà Nội 2 Khóa luận tốt nghiệp từ 40-45% và kali từ 40-50%, tuỳ theo chân đất, giống cây trồng, thời vụ, phƣơng pháp bón, loại phân bón…Nhƣ vậy, còn 60-65% lƣợng đạm tƣơng đƣơng với 1,77 triệu tấn ure, 55-60% lƣợng lân tƣơng đƣơng với 2,07 triệu tấn supe lân và 55-60% lƣợng kali tƣơng đƣơng với 344 nghìn tấn kali clorua (KCl) đƣợc bón vào đất nhƣng chƣa đƣợc cây trồng sử dụng. Trong số phân bón chƣa đƣợc cây sử dụng, một phần còn lại ở trong đất, một phần bị rửa trôi theo nƣớc mặt do mƣa, theo các công trình thuỷ lợi ra các ao, hồ, sông suối gây ô nhiễm nguồn nƣớc mặt. Một phần bị rửa trôi theo chiều dọc xuống tầng nƣớc ngầm và một phần bị bay hơi do tác động của nhiệt độ hay quá trình phản nitrat hoá gây ô nhiễm không khí. Xét về mặt kinh tế thì khoảng 2/3 lƣợng phân bón hàng năm cây trồng chƣa sử dụng đƣợc, đồng nghĩa với việc 2/3 lƣợng tiền ngƣời nông dân bỏ ra mua phân bón bị lãng phí, với tổng thất thoát lên tới khoảng 30 nghìn tỷ đồng tính theo giá phân bón hiện nay. Xét về mặt môi trƣờng, trừ một phần các chất dinh dƣỡng có trong phân bón đƣợc giữ lại trong các keo đất là nguồn dinh dƣỡng dự trữ cho vụ sau, hàng năm một lƣợng lớn phân bón bị rửa trôi hoặc bay hơi đã làm xấu đi môi trƣờng sản xuất nông nghiệp và môi trƣờng sống, đó cũng là những tác nhân gây ô nhiễm nguồn nƣớc, không khí. Trong số đó, phân do sản xuất lúa gây ra đối với việc ô nhiễm môi trƣờng là vấn đề đáng đƣợc quan tâm nhất, vì hàng năm một lƣợng lớn phân bón đƣợc dành cho sản xuất lúa. 1.1.4. Những vấn đề thách thức khi sử dụng phân bón truyền thống Năm 1998, Smil [5] đã dự đoán những vấn đề tiềm ẩn về môi trƣờng do sự dƣ thừa đạm trong quá trình cung cấp phân bón cho cây trồng. Tổng lƣợng phân đạm bón vào là khoảng 80 triệu tấn/năm. Sự thất thoát nitơ ra ngoài không khí chiếm một lƣợng khá lớn và đƣợc xem nhƣ một nguyên nhân chính làm giàu lƣợng nitơ trong bầu khí quyển. Tầng nƣớc ngầm và nƣớc bề mặt Mai Thị Loan 12 K34B – SP Hóa Trường ĐHSP Hà Nội 2 Khóa luận tốt nghiệp nhận đƣợc khoảng từ 32 đến 45 triệu tấn nitơ thấm vào mỗi năm. Tại nhiều khu vực trên thế giới, nitơ và cả photpho xảy ra tình trạng tích tụ thành một lƣợng quá lớn cho phép gây ảnh hƣởng lớn tới môi trƣờng, sức khỏe và hệ sinh thái. Ở hầu hết các vùng canh tác, nitơ bị oxy hóa tạo thành nitrat dƣới tác dụng của vi khuẩn hoạt động. Kết quả là một phần tƣơng đối lớn nitơ có thể bị thấm hoặc bị tách khỏi rễ đi vào nƣớc ngầm, nƣớc mặt. Một lƣợng lớn nitrat tích tụ lại trong hệ khí quyển cũng rất đáng lo ngại, đây cũng là một trong những nguyên nhân gây ra bệnh giảm nồng độ khí oxy trong máu do nguồn nƣớc uống chứa quá nhiều nitrat, gây bệnh cho loài động vật nhai lại, là một trong những nguyên nhân gây bệnh ung thƣ dạ dày. Đây cũng là thủ phạm gây ra nhiều căn bệnh khác nữa nhƣ: bƣớu cổ, dị tật bẩm sinh, bệnh tim mạch. Để đảm bảo an toàn cho sức khỏe con ngƣời, hàm lƣợng nitrat chuẩn đƣợc quy định tại Mỹ là dƣới 10mg N/lit hay tại liên minh châu Âu là dƣới 50mg NO3 /lit [6]. Trong quá trình sử dụng phân bón nitơ, sự bay hơi của amoniac cũng rất đáng kể, đặc biệt là khi sử dụng chúng trong môi trƣờng đất có tính kiềm [7]. Quá trình bay hơi của amoniac đƣợc quyết định bởi yếu tố đất, môi trƣờng và tỷ lệ thuận với hàm lƣợng amoni trong đất. Sự giải phóng amoni từ lĩnh vực sử dụng phân bón có thể dẫn tới quá trình tích tụ chúng trong hệ sinh thái và là nguyên nhân gây ra sự phá hủy hệ thực vật [8]. Một lƣợng NH3 có thể bị oxy hóa và đƣợc chuyển hóa thành axit, kết hợp với axit sunfuric (từ nguồn khí thải công nghiệp) tạo thành mƣa axit. Mƣa axit là nguyên nhân phá hủy mùa màng hoặc axit hóa các hồ chứa nƣớc, gây ra tình trạng ngộ độc nhôm trong cá và thực vật [9]. Vấn đề ô nhiễm môi trƣờng do phân photpho gây ra cũng rất đáng lo ngại, đó là sự dƣ thừa nồng độ của N, P hay C và một số các vi nguyên tố Mai Thị Loan 13 K34B – SP Hóa Trường ĐHSP Hà Nội 2 Khóa luận tốt nghiệp khác trong nƣớc [10]. Trong hệ thủy sinh, sự tích tụ của photpho là rất đáng quan tâm [11]. Tác động sơ cấp của hiện tƣợng phú dƣỡng làm tăng sinh khối của tảo, điều này dẫn tới hàm lƣợng oxy bị thiếu hụt, làm chết cá, xuất hiện và gia tăng mùi thối, gây ô nhiễm và mất mĩ quan môi trƣờng. Lƣợng lớn photpho thải vào môi trƣờng cũng bắt nguồn từ chất thải công nghiệp, phân bón trong nông nghiệp, nƣớc, bùn thải và chất tẩy uế. Mặc dù không trực tiếp tác động đến hệ sinh thái nhƣng các nguyên tố nhƣ Cd, Cr, Pb, Ur hay Ra có chứa trong phân lân có thể tích tụ trong đất trong thời gian dài [12] và gây hậu quả nghiêm trọng. 1.2. Tổng quan về phân bón nhả chậm và phân bón nhả có kiểm soát 1.2.1. Định nghĩa về phân bón nhả chậm và phân bón nhả có kiểm soát Ngành công nghiệp phân bón luôn phải đối mặt với những tồn tại khó tháo gỡ, đó là vấn đề cải thiện hiệu quả sử dụng phân bón. Bởi vậy, việc rất cần thiết là phát triển một loại phân bón mới. Nhƣng nhiệm vụ này là không hề dễ dàng do cơ chế hấp thụ dinh dƣỡng của thực vật là phức tạp. Bằng sự nỗ lực không ngừng, các nhà khoa học đã chế tạo thành công loại phân bón mới, đáp ứng đƣợc những yêu cầu đặt ra, đó chính là phân bón nhả chậm và phân bón nhả có kiểm soát [13]. Tổng số lƣợng phân bón nhả chậm tiêu thụ trên toàn thế giới năm 1996 - 1997 là khoảng 560.000 tấn [14]. Lƣợng tiêu thụ lớn nhất là ở Mỹ và Canada, chiếm khoảng 70% tổng số lƣợng đƣợc sử dụng. Các nƣớc châu Âu và Nhật Bản tiêu thụ phần còn lại khá ngang nhau. Tại Nhật Bản, hầu hết các CRFs đƣợc sử dụng trong nông nghiệp, chủ yếu là trồng lúa, rau và cây ăn quả, và chỉ một phần nhỏ đƣợc sử dụng cho đồng cỏ và làm vƣờn cảnh. Tại Mỹ, Canada và châu Âu, khoảng 90% tổng tiêu thụ đƣợc sử dụng cho mục đích phi nông nghiệp (sân gôn, vƣờn, thảm cỏ chuyên nghiệp, cảnh quan), chỉ có khoảng 10% đƣợc sử dụng cho nông nghiệp, chủ yếu là rau, dƣa hấu, dâu Mai Thị Loan 14 K34B – SP Hóa Trường ĐHSP Hà Nội 2 Khóa luận tốt nghiệp tây, quả có múi và các loại cây ăn quả khác. Tuy nhiên, tốc độ tăng trƣởng của việc sử dụng của phân bón nhả chậm trong nông nghiệp hơn gấp đôi tốc độ tăng trƣởng trong thị trƣờng phi nông nghiệp [14]. Phân bón nhả chậm và nhả có kiểm soát là các loại phân bón có chứa một chất dinh dƣỡng cho cây ở một dạng hoặc là a) làm chậm tính có sẵn cho cây hấp thu và sử dụng sau khi đƣa vào, hoặc là b) dạng có sẵn cho cây trong thời gian dài hơn rất nhiều so với “phân bón dinh dƣỡng có sẵn” nhƣ amoni nitrat hay ure, amoni photphat, kali clorua. Không có sự khác biệt chính thức nào giữa phân bón nhả chậm và nhả có kiểm soát nên thƣờng đƣợc gọi chung là phân nhả chậm. Tuy nhiên, các sản phẩm N bị phân hủy bởi vi khuẩn nhƣ UF (Ure-Formaldehit), trong thƣơng mại thƣờng đƣợc gọi là phân nhả chậm và các sản phẩm dạng viên hoặc bọc đƣợc gọi là phân bón nhả có kiểm soát. Ủy ban Chuẩn hóa Châu Âu đã đƣa ra một số đề xuất về phân bón nhả chậm trong đất nhƣ sau: - Nhả: Quá trình chuyển hóa của một chất hóa học thành một dạng dinh dƣỡng có sẵn cho cây (ví dụ quá trình hòa tan, thủy phân, phân hủy v.v.). - Nhả chậm: Tỉ lệ nhả của một chất hóa học thành một dạng dinh dƣỡng có sẵn cho cây, nói chung đƣợc xác định là thấp hơn so với tỉ lệ nhả từ việc áp dụng một chất dinh dƣỡng có sẵn cho cây (ví dụ đối với nitơ nhả chậm, tỉ lệ nhả/ứng đáp của thực vật với việc áp dụng ure, amoni hay dung dịch nitrat); - Quy định: Một loại phân đƣợc mô tả là phân nhả chậm nếu chất dinh dƣỡng hoặc các chất dinh dƣỡng đƣợc xem là nhả chậm, dƣới những điều kiện nhất định nhƣ ở nhiệt độ 250C, phải đáp ứng một trong ba tiêu chuẩn sau: + Nhả không quá 15% trong 24h. + Nhả không quá 70% trong 28 ngày. Mai Thị Loan 15 K34B – SP Hóa Trường ĐHSP Hà Nội 2 Khóa luận tốt nghiệp + Nhả ít nhất 70% trong khoảng thời gian đã định. 1.2.2. Tình hình nghiên cứu phân bón nhả chậm và phân bón nhả có kiểm soát 1.2.2.1. Trên thế giới Phân nhả chậm đƣợc sự quan tâm nghiên cứu rộng rãi của các nhà khoa học trên thế giới trong nhiều thập niên qua. Nhiều công trình nghiên cứu về các loại phân nhả chậm bằng cách bao bọc các hạt phân ban đầu bởi các chất nền khác nhau hay tạo liên kết giữa các hạt phân với một số chất khác nhau đã đƣợc công bố. Ray S.K và cộng sự [15] đã nghiên cứu ra phân chứa B nhả chậm với thành phần chính là polyborophotphat. Sản phẩm này có nhiều lợi ích hơn phân chứa B bình thƣờng là tan chậm trong nƣớc, giảm sự thất thoát, giảm độc hại, tăng hiệu quả khi sử dụng. Geortz Harvey M. và cộng sự [16] đã nghiên cứu đƣợc một loại phân nhả chậm từ nền dầu hữu cơ nhƣ dầu lanh và các loại phân: NPK, ure hay các loại phân Ca, Mg, S. Phân này có khả năng nhả chậm từ 10% (14 ngày), 11% (20 ngày)…. Mangrich A. S. và cộng sự [17] đã tổng hợp đƣợc phân K nhả chậm từ cặn dầu phiến nham ở 9000C thu đƣợc phân có độ tan 30,3% K2O (trong HCl 0,5M), 23,2% (trong axit citric) và 6,9% (trong nƣớc). Fujita T. và cộng sự [18] cũng đã tổng hợp phân nhả chậm đƣợc bao bọc bằng polyme đƣờng (glucozo, fructozo) hay dẫn xuất của nó. Phân đƣợc bọc là ure, NH4Cl, KCl, KNO3, NaNO3, K3PO4… Goertz Harvey M [16] đã nghiên cứu và sản xuất thành công hỗn hợp NPK nhả chậm từ hỗn hợp dung dịch ure và formaldehit với chất nền khô từ nguồn P (supephotphat, apatit…) và K (KHCO3, K2CO3, K3PO4…) để tạo nên hỗn hợp đồng nhất NPK. Mai Thị Loan 16 K34B – SP Hóa